Η οθόνη υγρών κρυστάλλων είναι ένας τύπος εικόνας που δημιουργείται ηλεκτρικά σε ένα λεπτό επίπεδο πάνελ. Οι πρώτες οθόνες LCD, που κυκλοφόρησαν τη δεκαετία του 1970, ήταν μικροσκοπικές οθόνες που χρησιμοποιήθηκαν κυρίως σε αριθμομηχανές και ψηφιακά ρολόγια που έδειχναν μαύρους αριθμούς σε λευκό φόντο. Οι οθόνες LCD μπορούν να βρεθούν παντού σε οικιακά ηλεκτρονικά συστήματα, κινητά τηλέφωνα, κάμερες και οθόνες υπολογιστών, καθώς και ρολόγια και τηλεοράσεις. Οι σημερινές τηλεοράσεις επίπεδης οθόνης LCD τελευταίας τεχνολογίας έχουν αντικαταστήσει σε μεγάλο βαθμό τις παραδοσιακές ογκώδεις CRT στις τηλεοράσεις και μπορούν να παράγουν έγχρωμες εικόνες υψηλής ευκρίνειας έως και 108 ίντσες διαγώνια στην οθόνη.
Ιστορία υγρών κρυστάλλων
Οι υγροί κρύσταλλοι ανακαλύφθηκαν τυχαία το 1888 από τον βοτανολόγο F. Reinitzer από την Αυστρία. Βρήκε ότι η βενζοϊκή χοληστερόλη έχει δύο σημεία τήξης, μετατρέπεται σε θολό υγρό στους 145 ° C και σε θερμοκρασίες πάνω από 178,5 ° C, το υγρό γίνεται διαφανές. Προς τηνβρείτε μια εξήγηση για αυτό το φαινόμενο, έδωσε τα δείγματά του στον φυσικό Otto Lehmann. Χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο εξοπλισμένο με σταδιακή θέρμανση, η Lehman έδειξε ότι η ουσία έχει οπτικές ιδιότητες χαρακτηριστικές ορισμένων κρυστάλλων, αλλά εξακολουθεί να είναι υγρό, και ως εκ τούτου επινοήθηκε ο όρος "υγρός κρύσταλλος".
Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών του 1920 και του 1930, οι ερευνητές μελέτησαν τις επιπτώσεις των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων στους υγρούς κρυστάλλους. Το 1929, ο Ρώσος φυσικός Vsevolod Frederiks έδειξε ότι τα μόριά τους σε μια λεπτή μεμβράνη ανάμεσα σε δύο πλάκες άλλαξαν την ευθυγράμμισή τους όταν εφαρμόστηκε μαγνητικό πεδίο. Ήταν ο πρόδρομος της σύγχρονης οθόνης υγρών κρυστάλλων τάσης. Ο ρυθμός της τεχνολογικής ανάπτυξης από τις αρχές της δεκαετίας του 1990 ήταν γρήγορος και συνεχίζει να αυξάνεται.
Η τεχνολογία Η τεχνολογία LCD έχει εξελιχθεί από ασπρόμαυρη για απλά ρολόγια και αριθμομηχανές σε πολύχρωμη για κινητά τηλέφωνα, οθόνες υπολογιστών και τηλεοράσεις. Η παγκόσμια αγορά LCD πλησιάζει τώρα τα 100 δισεκατομμύρια δολάρια ετησίως, από 60 δισεκατομμύρια δολάρια το 2005 και 24 δισεκατομμύρια δολάρια το 2003, αντίστοιχα. Η κατασκευή LCD είναι παγκοσμίως συγκεντρωμένη στην Άπω Ανατολή και αναπτύσσεται στην Κεντρική και Ανατολική Ευρώπη. Οι αμερικανικές εταιρείες πρωτοστατούν στην τεχνολογία κατασκευής. Οι οθόνες τους κυριαρχούν πλέον στην αγορά και αυτό είναι απίθανο να αλλάξει στο εγγύς μέλλον.
Φυσική της διαδικασίας κρυστάλλωσης
Οι περισσότεροι υγροί κρύσταλλοι, όπως η βενζοϊκή χοληστερόλη, αποτελούνται από μόρια με μακριές ράβδους δομές. Αυτή η ειδική δομή υγρών μορίωνΟι κρύσταλλοι μεταξύ δύο φίλτρων πόλωσης μπορούν να σπάσουν εφαρμόζοντας τάση στα ηλεκτρόδια, το στοιχείο LCD γίνεται αδιαφανές και παραμένει σκοτεινό. Με αυτόν τον τρόπο, διάφορα στοιχεία οθόνης μπορούν να αλλάξουν είτε σε ανοιχτά είτε σε σκούρα χρώματα, εμφανίζοντας έτσι αριθμούς ή χαρακτήρες.
Αυτός ο συνδυασμός ελκτικών δυνάμεων που υπάρχουν μεταξύ όλων των μορίων που σχετίζονται με μια δομή που μοιάζει με ράβδο προκαλεί το σχηματισμό μιας φάσης υγρών κρυστάλλων. Ωστόσο, αυτή η αλληλεπίδραση δεν είναι αρκετά ισχυρή για να κρατήσει τα μόρια στη θέση τους μόνιμα. Από τότε, έχουν ανακαλυφθεί πολλοί διαφορετικοί τύποι δομών υγρών κρυστάλλων. Μερικά από αυτά είναι διατεταγμένα σε επίπεδα, άλλα με τη μορφή δίσκου ή στηλών μορφής.
Τεχνολογία LCD
Η αρχή λειτουργίας μιας οθόνης υγρών κρυστάλλων βασίζεται στις ιδιότητες των ηλεκτρικά ευαίσθητων υλικών που ονομάζονται υγροί κρύσταλλοι, που ρέουν σαν υγρά αλλά έχουν κρυσταλλική δομή. Στα κρυσταλλικά στερεά, τα συστατικά σωματίδια -άτομα ή μόρια- βρίσκονται σε γεωμετρικές σειρές, ενώ σε υγρή κατάσταση είναι ελεύθερα να κινούνται τυχαία.
Η συσκευή απεικόνισης υγρών κρυστάλλων αποτελείται από μόρια, συχνά σε σχήμα ράβδου, που οργανώνονται προς μία κατεύθυνση αλλά μπορούν ακόμα να κινηθούν. Τα μόρια υγρών κρυστάλλων αντιδρούν σεμια ηλεκτρική τάση που αλλάζει τον προσανατολισμό τους και αλλάζει τα οπτικά χαρακτηριστικά του υλικού. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται σε οθόνες LCD.
Κατά μέσο όρο, ένας τέτοιος πίνακας αποτελείται από χιλιάδες στοιχεία εικόνας ("pixel"), τα οποία τροφοδοτούνται μεμονωμένα από την τάση. Είναι πιο λεπτά, ελαφρύτερα και έχουν χαμηλότερη τάση λειτουργίας από άλλες τεχνολογίες οθόνης και είναι ιδανικά για συσκευές με μπαταρία.
Passive Matrix
Υπάρχουν δύο τύποι οθονών: παθητικός και ενεργός πίνακας. Τα παθητικά ελέγχονται από δύο μόνο ηλεκτρόδια. Είναι λωρίδες διαφανούς ITO που περιστρέφονται κατά 90 μεταξύ τους. Αυτό δημιουργεί ένα cross matrix που ελέγχει κάθε κύτταρο LC ξεχωριστά. Η διευθυνσιοδότηση γίνεται με λογική και προγράμματα οδήγησης ξεχωριστά από την ψηφιακή οθόνη LCD. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει φορτίο στο στοιχείο LC σε αυτόν τον τύπο ελέγχου, τα μόρια υγρών κρυστάλλων επιστρέφουν σταδιακά στην αρχική τους κατάσταση. Επομένως, κάθε κύτταρο πρέπει να παρακολουθείται σε τακτά χρονικά διαστήματα.
Τα παθητικά έχουν σχετικά μεγάλο χρόνο απόκρισης και δεν είναι κατάλληλα για τηλεοπτικές εφαρμογές. Κατά προτίμηση, δεν τοποθετούνται οδηγοί ή εξαρτήματα μεταγωγής όπως τρανζίστορ στο γυάλινο υπόστρωμα. Απώλεια φωτεινότητας λόγω σκίασης από αυτά τα στοιχεία δεν συμβαίνει, επομένως η λειτουργία των οθονών LCD είναι πολύ απλή.
Τα Παθητικά χρησιμοποιούνται ευρέως με τμηματοποιημένα ψηφία και σύμβολα για μικρή ανάγνωση σε συσκευές όπωςαριθμομηχανές, εκτυπωτές και τηλεχειριστήρια, πολλά από τα οποία είναι μονόχρωμα ή έχουν λίγα μόνο χρώματα. Παθητικές μονόχρωμες και έγχρωμες οθόνες γραφικών χρησιμοποιήθηκαν σε πρώιμους φορητούς υπολογιστές και εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ως εναλλακτική λύση για την ενεργή μήτρα.
Ενεργές οθόνες TFT
Οι ενδείξεις Active matrix χρησιμοποιεί κάθε μία από ένα τρανζίστορ για την οδήγηση και έναν πυκνωτή για την αποθήκευση φορτίου. Στην τεχνολογία IPS (In Plane Switching), η αρχή λειτουργίας ενός δείκτη υγρών κρυστάλλων χρησιμοποιεί ένα σχέδιο όπου τα ηλεκτρόδια δεν στοιβάζονται, αλλά βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο στο ίδιο επίπεδο σε ένα γυάλινο υπόστρωμα. Το ηλεκτρικό πεδίο διαπερνά τα μόρια LC οριζόντια.
Είναι ευθυγραμμισμένα παράλληλα με την επιφάνεια της οθόνης, γεγονός που αυξάνει σημαντικά τη γωνία θέασης. Το μειονέκτημα του IPS είναι ότι κάθε στοιχείο χρειάζεται δύο τρανζίστορ. Αυτό μειώνει τη διαφανή περιοχή και απαιτεί πιο φωτεινό οπίσθιο φωτισμό. Το VA (Κάθετη ευθυγράμμιση) και το MVA (Κάθετη ευθυγράμμιση πολλαπλών τομέων) χρησιμοποιούν προηγμένους υγρούς κρυστάλλους που ευθυγραμμίζονται κατακόρυφα χωρίς ηλεκτρικό πεδίο, δηλαδή κάθετα στην επιφάνεια της οθόνης.
Πολωμένο φως μπορεί να περάσει αλλά εμποδίζεται από τον μπροστινό πολωτή. Έτσι, ένα κελί χωρίς ενεργοποίηση είναι μαύρο. Δεδομένου ότι όλα τα μόρια, ακόμη και αυτά που βρίσκονται στις άκρες του υποστρώματος, είναι ομοιόμορφα κάθετα ευθυγραμμισμένα, η προκύπτουσα μαύρη τιμή είναι επομένως πολύ μεγάλη σε όλες τις γωνίες. Σε αντίθεση με την παθητική μήτραοι οθόνες υγρών κρυστάλλων, οι οθόνες ενεργής μήτρας έχουν ένα τρανζίστορ σε κάθε κόκκινο, πράσινο και μπλε υποπίξελ που τα διατηρεί στην επιθυμητή ένταση μέχρι να αντιμετωπιστεί αυτή η σειρά στο επόμενο πλαίσιο.
Χρόνος εναλλαγής κελιών
Ο χρόνος απόκρισης των οθονών ήταν πάντα μεγάλο πρόβλημα. Λόγω του σχετικά υψηλού ιξώδους του υγρού κρυστάλλου, οι κυψέλες LCD αλλάζουν αρκετά αργά. Λόγω των γρήγορων κινήσεων στην εικόνα, αυτό οδηγεί στο σχηματισμό λωρίδων. Υγροί κρύσταλλοι χαμηλού ιξώδους και τροποποιημένος έλεγχος κυψελών υγρών κρυστάλλων (overdrive) συνήθως λύνουν αυτά τα προβλήματα.
Ο χρόνος απόκρισης των σύγχρονων οθονών LCD είναι επί του παρόντος περίπου 8 ms (ο ταχύτερος χρόνος απόκρισης είναι 1 ms) αλλάζοντας τη φωτεινότητα μιας περιοχής εικόνας από 10% σε 90%, όπου 0% και 100% είναι φωτεινότητα σταθερής κατάστασης, ISO 13406 -2 είναι το άθροισμα του χρόνου εναλλαγής από φωτεινό σε σκοτεινό (ή αντίστροφα) και αντίστροφα. Ωστόσο, λόγω της ασυμπτωτικής διαδικασίας μεταγωγής, απαιτείται χρόνος μεταγωγής <3 ms για να αποφευχθούν ορατές ζώνες.
Η τεχνολογία Overdrive μειώνει τον χρόνο εναλλαγής των κυψελών υγρών κρυστάλλων. Για το σκοπό αυτό, εφαρμόζεται προσωρινά στην κυψέλη LCD υψηλότερη τάση από αυτή που απαιτείται για την πραγματική τιμή φωτεινότητας. Λόγω του μικρού κύματος τάσης της οθόνης υγρών κρυστάλλων, οι αδρανείς υγροί κρύσταλλοι κυριολεκτικά ξεφεύγουν από τη θέση τους και ισοπεδώνονται πολύ πιο γρήγορα. Για αυτό το επίπεδο διαδικασίας, η εικόνα πρέπει να αποθηκευτεί προσωρινά. Μαζί με ειδικά σχεδιασμένο για τις αντίστοιχες τιμέςδιόρθωση οθόνης, το αντίστοιχο ύψος τάσης εξαρτάται από το γάμμα και ελέγχεται από πίνακες αναζήτησης από τον επεξεργαστή σήματος για κάθε εικονοστοιχείο και υπολογίζει τον ακριβή χρόνο των πληροφοριών εικόνας.
Κύρια στοιχεία δεικτών
Η περιστροφή στην πόλωση του φωτός που παράγεται από τον υγρό κρύσταλλο είναι η βάση για τον τρόπο λειτουργίας μιας LCD. Υπάρχουν βασικά δύο τύποι οθονών LCD, οι μεταδοτικές και οι ανακλαστικές:
- Μεταδοτικό.
- Μετάδοση.
Λειτουργία μετάδοσης LCD. Στην αριστερή πλευρά, ο οπίσθιος φωτισμός LCD εκπέμπει μη πολωμένο φως. Όταν περάσει από τον πίσω πολωτή (κάθετος πολωτής), το φως θα πολωθεί κατακόρυφα. Αυτό το φως στη συνέχεια χτυπά τον υγρό κρύσταλλο και θα στρίψει την πόλωση εάν ενεργοποιηθεί. Επομένως, όταν το κατακόρυφα πολωμένο φως διέρχεται από το τμήμα υγρών κρυστάλλων ΟΝ, γίνεται οριζόντια πολωμένο.
Επόμενο - ο μπροστινός πολωτής θα μπλοκάρει το οριζόντια πολωμένο φως. Έτσι, αυτό το τμήμα θα φαίνεται σκοτεινό στον παρατηρητή. Εάν το τμήμα υγρών κρυστάλλων είναι απενεργοποιημένο, δεν θα αλλάξει την πόλωση του φωτός, επομένως θα παραμείνει κατακόρυφα πολωμένο. Έτσι ο μπροστινός πολωτής μεταδίδει αυτό το φως. Αυτές οι οθόνες, που συνήθως αναφέρονται ως οθόνες LCD με οπίσθιο φωτισμό, χρησιμοποιούν το φως του περιβάλλοντος ως πηγή τους:
- Ρολόι.
- Ανακλαστική LCD.
- Συνήθως οι αριθμομηχανές χρησιμοποιούν αυτόν τον τύπο οθόνης.
Θετικά και αρνητικά τμήματα
Μια θετική εικόνα δημιουργείται από σκούρα pixel ή τμήματα σε λευκό φόντο. Σε αυτούς, οι πολωτές είναι κάθετοι μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι εάν ο μπροστινός πολωτής είναι κατακόρυφος, τότε ο πίσω πολωτής θα είναι οριζόντιος. Έτσι το OFF και το φόντο θα αφήσει το φως να περάσει και το ON θα το μπλοκάρει. Αυτές οι οθόνες χρησιμοποιούνται συνήθως σε εφαρμογές όπου υπάρχει φως περιβάλλοντος.
Μπορεί επίσης να δημιουργήσει οθόνες στερεάς κατάστασης και υγρών κρυστάλλων με διαφορετικά χρώματα φόντου. Μια αρνητική εικόνα δημιουργείται από ανοιχτόχρωμα pixel ή τμήματα σε σκούρο φόντο. Σε αυτά συνδυάζονται οι μπροστινοί και οι πίσω πολωτές. Αυτό σημαίνει ότι εάν ο μπροστινός πολωτής είναι κατακόρυφος, το πίσω μέρος θα είναι επίσης κάθετο και το αντίστροφο.
Έτσι τα τμήματα OFF και το φόντο μπλοκάρουν το φως και τα τμήματα ON αφήνουν το φως να περάσει, δημιουργώντας μια φωτεινή οθόνη σε σκούρο φόντο. Οι οθόνες LCD με οπίσθιο φωτισμό χρησιμοποιούν συνήθως αυτό το είδος, το οποίο χρησιμοποιείται όταν το φως του περιβάλλοντος είναι αδύναμο. Είναι επίσης ικανό να δημιουργεί διαφορετικά χρώματα φόντου.
Εμφάνιση μνήμης RAM
Το DD είναι η μνήμη που αποθηκεύει τους χαρακτήρες που εμφανίζονται στην οθόνη. Για να εμφανιστούν 2 γραμμές των 16 χαρακτήρων, οι διευθύνσεις ορίζονται ως εξής:
| Γραμμή | Ορατό | Αόρατος |
| Κορυφαία | 00H 0FH | 10H 27H |
| Χαμηλό | 40H - 4FH | 50H 67H |
Σας επιτρέπει να δημιουργήσετε έως 8 χαρακτήρες ή 5x7 χαρακτήρες. Μόλις φορτωθούν νέοι χαρακτήρες στη μνήμη, μπορείτε να τους προσπελάσετε σαν να ήταν κανονικοί χαρακτήρες αποθηκευμένοι στη ROM. Η CG RAM χρησιμοποιεί λέξεις πλάτους 8 bit, αλλά μόνο τα 5 λιγότερο σημαντικά bit εμφανίζονται στην οθόνη LCD.
Έτσι το D4 είναι το πιο αριστερό σημείο και το D0 ο πόλος στα δεξιά. Για παράδειγμα, η φόρτωση ενός byte RAM CG στο 1Fh καλεί όλες τις τελείες αυτής της γραμμής.
Έλεγχος λειτουργίας bit
Υπάρχουν δύο διαθέσιμες λειτουργίες εμφάνισης: 4-bit και 8-bit. Στη λειτουργία 8-bit, τα δεδομένα αποστέλλονται στην οθόνη με τις ακίδες D0 έως D7. Η συμβολοσειρά RS έχει οριστεί σε 0 ή 1, ανάλογα με το αν θέλετε να στείλετε μια εντολή ή δεδομένα. Η γραμμή R/W πρέπει επίσης να ρυθμιστεί στο 0 για να υποδείξει την οθόνη που θα γραφεί. Απομένει να στείλετε έναν παλμό τουλάχιστον 450 ns στην είσοδο E για να υποδείξετε ότι υπάρχουν έγκυρα δεδομένα στις ακίδες D0 έως D7.
Η οθόνη θα διαβάσει δεδομένα στο άκρο που πέφτει αυτής της εισόδου. Εάν απαιτείται ανάγνωση, η διαδικασία είναι πανομοιότυπη, αλλά αυτή τη φορά η γραμμή R/W ορίζεται στο 1 για να ζητηθεί ανάγνωση. Τα δεδομένα θα ισχύουν για τις γραμμές D0-D7 στην κατάσταση υψηλής γραμμής.
Λειτουργία 4 bit. Σε ορισμένες περιπτώσεις, μπορεί να χρειαστεί να μειωθεί ο αριθμός των καλωδίων που χρησιμοποιούνται για την κίνηση της οθόνης, όπως όταν ο μικροελεγκτής έχει πολύ λίγες ακίδες I/O. Σε αυτήν την περίπτωση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η λειτουργία LCD 4 bit. Σε αυτή τη λειτουργία, για μετάδοσηδεδομένα και διαβάζοντάς τα, χρησιμοποιούνται μόνο τα 4 πιο σημαντικά bit (D4 έως D7) της οθόνης.
4 σημαντικά bit (D0 έως D3) συνδέονται στη συνέχεια στη γείωση. Στη συνέχεια, τα δεδομένα γράφονται ή διαβάζονται στέλνοντας τα τέσσερα πιο σημαντικά bit στη σειρά, ακολουθούμενα από τα τέσσερα λιγότερο σημαντικά bit. Πρέπει να σταλεί ένας θετικός παλμός τουλάχιστον 450 ns στη γραμμή Ε για να δοκιμάσετε κάθε τσιμπήματα.
Και στις δύο λειτουργίες, μετά από κάθε ενέργεια στην οθόνη, μπορείτε να βεβαιωθείτε ότι μπορεί να επεξεργαστεί τις ακόλουθες πληροφορίες. Για να το κάνετε αυτό, πρέπει να ζητήσετε ανάγνωση σε λειτουργία εντολής και να ελέγξετε τη σημαία Busy BF. Όταν BF=0, η οθόνη είναι έτοιμη να δεχτεί νέα εντολή ή δεδομένα.
Ψηφιακές συσκευές τάσης
Οι δείκτες ψηφιακών υγρών κρυστάλλων για δοκιμαστές αποτελούνται από δύο λεπτά φύλλα γυαλιού, στις αντικριστές επιφάνειες των οποίων εφαρμόστηκαν λεπτές αγώγιμες ράγες. Όταν το γυαλί παρατηρείται από δεξιά ή σχεδόν σε ορθή γωνία, αυτά τα ίχνη δεν είναι ορατά. Ωστόσο, σε ορισμένες γωνίες θέασης, γίνονται ορατές.
Διάγραμμα ηλεκτρικού κυκλώματος.
Ο ελεγκτής που περιγράφεται εδώ αποτελείται από έναν ορθογώνιο ταλαντωτή που παράγει μια τέλεια συμμετρική τάση AC χωρίς κανένα στοιχείο DC. Οι περισσότερες λογικές γεννήτριες δεν είναι ικανές να παράγουν τετραγωνικό κύμα, παράγουν τετραγωνικές κυματομορφές των οποίων ο κύκλος λειτουργίας κυμαίνεται γύρω στο 50%. Το 4047 που χρησιμοποιείται στον ελεγκτή έχει δυαδική βαθμωτή έξοδο που εγγυάται συμμετρία. Συχνότηταο ταλαντωτής είναι περίπου 1 kHz.
Μπορεί να τροφοδοτηθεί από τροφοδοσία 3-9 V. Συνήθως θα είναι μπαταρία, αλλά μια μεταβλητή τροφοδοσία έχει τα πλεονεκτήματά της. Δείχνει σε ποια τάση λειτουργεί ικανοποιητικά ο υγρός κρύσταλλος ένδειξης τάσης και υπάρχει επίσης σαφής σχέση μεταξύ του επιπέδου τάσης και της γωνίας στην οποία η οθόνη είναι καθαρά ορατή. Ο ελεγκτής δεν τραβάει περισσότερο από 1 mA.
Η τάση δοκιμής πρέπει πάντα να συνδέεται μεταξύ του κοινού ακροδέκτη, δηλαδή του πίσω επιπέδου, και ενός από τα τμήματα. Εάν δεν είναι γνωστό ποιο τερματικό είναι το πίσω επίπεδο, τότε συνδέστε τον έναν αισθητήρα του ελεγκτή στο τμήμα και τον άλλο ανιχνευτή σε όλους τους άλλους ακροδέκτες μέχρι να είναι ορατό το τμήμα.
